CN204539149U - 一种多自由度混合纠缠w态光子的产生系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，包括第一混合纠缠单元、第二混合纠缠单元、偏振纠缠单元和纠缠交换单元；第一混合纠缠单元用于产生轨道角动量-偏振纠缠光子对；第二混合纠缠单元用于产生线动量-偏振纠缠光子对；偏振纠缠单元用于产生互为垂直的偏振纠缠光子对；所述纠缠交换单元用于将所述轨道角动量-偏振纠缠光子对、线动量-偏振纠缠光子对和互为垂直的偏振纠缠光子对进行纠缠交换，获得多自由度混合纠缠W态光子。本实用新型的产生系统结构简单，使用方便，可稳定产生多自由度混合纠缠W态光子，该W态光子有利于提高量子通信的安全性，其具有强纠缠特性和抗比特丢失能力，消减了噪声、消相干等因素的影响。

Description

一种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统

技术领域

本实用新型属于量子信息与光通信技术领域，具体涉及一种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统。

背景技术

量子纠缠是多粒子量子系统中的一种非定域关联。纠缠态包括有Bell态、GHZ态、W态等等。纠缠Bell态和GHZ态在量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配等领域取得了很多成果。目前，纠缠W态由于其抗比特丢失能力和强纠缠特性受到极度关注。W态不同于常见的纠缠态，即使非可信用户测量多粒子体系中某一粒子、可信用户通信协商舍弃某一粒子等原因丢失可加载比特信息的粒子，剩余粒子仍然存在纠缠关联。

2000年，Dür W等人首次提出了W态，并证明W态中任意粒子间都存在纠缠关联特性。W态的制备有基于离子阱装置制备的冷囚禁多离子W态；通过腔QED的跃迁或腔场绝热技术等制备的原子W态；而利用光学器件制备光子W态的研究更为广泛。2002年，Zou等人利用一个EPR对和两个单光子在四个偏振分束器与透镜的作用下实现四光子W态的制备。2003年，Manfred Eibl等人通过Type-II参量下转换过程实现了双光子的偏振W态的制备。2004年，日本的Hideharu Mikami结合两种类型的参量下转换过程实现N个光子的偏振W态的制备。为提高W态在实际应用中的纯度与概率，也提出了很多改进方案。

2009年，Tashima T等人利用Type-I参量下转换产生两组EPR对，通过本地量子体系操作和远程经典通信操作实现保真度为0.778±0.0043的三光子W态制备。2010年，该小组改进方案不仅提高三光子W态的保真度到0.836±0.042，还实现N光子W态的制备；2013年，Tie-Jun Wang等人利用混合偏振分束器与探测器测量，实现两组三光子偏振纠缠态的W态重置，简化实验过程并提高保真度与实现概率。但上述方案是基于单一自由度的量子纠缠，未涉及W态的多自由度扩展。在实际量子通信中，单一自由度的量子纠缠受到量子信道的限制，量子信道中的噪声、衰减、保偏等影响，使得单一自由度的纠缠不能满足实际通信系统的需求。如何制备多个自由度混合的纠缠态成为关注的焦点。2014年，等人提出了多个自由度混合的W态的制备。该方案利用单光子的多自由度(自旋、频率和其他空间模式)实现信息容量的扩展，采用多种模式的叠加提高了单光子在量子通信中的鲁棒性(Robust)；但受理想单光子制备水平的限制，未在实际的量子通信领域中得到应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于为了解决以上的不足，提供了一种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，利用该系统可制备出具有强纠缠特性和抗比特丢失能力的轨道角动量-线动量 -偏振三光子多自由度的纠缠W态光子。

为了实现本实用新型目的所采取的技术方案是：

一种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，包括第一混合纠缠单元、第二混合纠缠单元、偏振纠缠单元和纠缠交换单元；第一混合纠缠单元的输出端、第二混合纠缠单元的输出端和偏振纠缠单元的输出端分别与所述纠缠交换单元连接；所述第一混合纠缠单元用于产生轨道角动量-偏振纠缠光子对；所述第二混合纠缠单元用于产生线动量-偏振纠缠光子对；所述偏振纠缠单元用于产生互为垂直的偏振纠缠光子对；所述纠缠交换单元用于将所述轨道角动量-偏振纠缠光子对、线动量-偏振纠缠光子对和互为垂直的偏振纠缠光子对进行纠缠交换，获得多自由度混合纠缠W态光子；所述第一混合纠缠单元包括第一泵浦源、BBO晶体、第一全反射镜、第二全反射镜、第一Q-plate相位板、第一单模光纤和第一λ/4玻片；所述第一泵浦源用于产生泵浦光；所述泵浦光经所述BBO晶体反射后产生第一轨道角动量纠缠光子对，且所述第一轨道角动量纠缠光子对被分为第一光束和第二光束，第一光束经过所述第一全反射镜后输出，第二光束依次经过所述第二全反射镜、第一Q-plate相位板、第一单膜光纤和第一λ/4玻片后，第一轨道角动量纠缠光子对转化为轨道角动量-偏振纠缠光子对；所述第二混合纠缠单元包括线动量转换单元、第三全反射镜、第四全反射镜、第五全反射镜、第二Q-plate相位板、第二单模光纤和第二λ/4玻片；照射至所述BBO晶体上的泵浦光部分透射过BBO晶体，透射光束经过所述第三全反射镜再次反射至所述BBO晶体，产生第二轨道角动量纠缠光子对，且所述第二轨道角动量纠缠光子对被分为第三光束和第四光束，第三光束依次经过所述第四全反射镜和线动量转换单元后输出，第四光束依次经过所述第五全反射镜、第二Q-plate相位板、第二单模光纤和第二λ/4玻片后，第二轨道角动量纠缠光子对转化为线动量-偏振纠缠光子对；所述偏振纠缠单元包括第二泵浦源、PPKTP晶体、第六全反射镜和第七全反射镜；所述第二泵浦源用于产生泵浦光，所述泵浦光经过所述PPKTP晶体后产生互为垂直的偏振纠缠光子对，且所述偏振纠缠光子对被分为第五光束和第六光束，第五光束经过所述第六全反射镜后输出，第六光束经过所述第七全反射镜后改变方向，进入所述纠缠交换单元；所述纠缠交换单元包括依次设置的第八全反射镜、第一分束器、第二分束器和偏振分束器，还包括分别连接在所述偏振分束器输出端的第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述第一λ/4玻片输出的轨道角动量-偏振纠缠光子对通过第八全反射镜后到达所述第一分束器，所述第二λ/4玻片输出的线动量-偏振纠缠光子对直接到达第一分束器，第一分束器经到达其的光子进行耦合后输出至所述第二分束器；所述第七全反射镜输出的偏振纠缠光子对直接到达所述第二分束器，第二分束器将到达其的光子进行耦合后输出至所述偏振分束器。

所述BBO晶体受泵浦光照射后在Type-I参量下转换可得到具有高维轨道角动量纠缠的光子对。所述线动量转换单元即使用计算机相位全息图利用叉形衍射光栅将携带轨道角动量的螺旋位相光束转换成携带线动量的光束。所述第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜和第五全反射镜均为镀有高反膜的反射镜，用于对入射到其上的光 束进行反射，并改变光的传播方向。

所述第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板均是一种单轴双折射介质，是具有特殊的Pancharatnam-Berry相位光学器件；第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板使Type-I产生的两束闲频光分别实现轨道角动量与自旋角动量之间的纠缠关联。第一单模光纤和第二单模光纤分别选择经过第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板变换后的闲频光，筛选闲频光模式为零的高斯光通过；所述第一λ/4玻片和第二λ/4玻片将自旋偏振态光子转换成水平竖直偏振态光子，即，自旋偏振态光子中的右旋态光子经λ/4玻片后转化为竖直偏振态光子，自旋偏振态光子中的左旋态光子经λ/4玻片后转化为水平偏振态光子。

所述PPKTP晶体用于Type-II参量下转换产生互为垂直的偏振纠缠光子对，此处互为垂直具体指偏振纠缠光子对包括有水平偏振态光子和竖直偏振态光子。所述第六全反射镜、第七全反射镜和第八全反射镜均为镀有高反膜的反射镜，用于对入射到其上的光束进行反射，并改变光的传播方向。其中偏振分束器用于对复合光束进行分离，分离成水平偏振态光子和竖直偏振态光子。所述第一单光子探测器用于测量水平偏振态上的光子数；所述第二单光子探测器用于测量竖直偏振态上的光子数，根据单光子探测器的读书不同就可以获得不同的W态。

进一步地，所述第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板均为Pancharatnam-Berry相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。

进一步地，所述第一全反射镜和第二全反射镜位于所述BBO晶体的同一侧，且在空间上具有夹角。

进一步地，所述第三全反射镜与所述BBO晶体相对设置；所述第四全反射镜和第五全反射镜位于第三全反射镜和BBO晶体之间，且第四全反射镜和第五全反射镜在空间上具有夹角。

进一步地，所述第六全反射镜和第七全反射镜位于所述PPKTP晶体的同一侧，且在空间上具有夹角。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的产生系统结构简单，使用方便，可稳定产生两种等概率互为对称的纠缠W态光子；本实用新型产生的纠缠W态光子是基于多个自由度的混合纠缠，有利于提高量子通信的安全性，其在自由空间与光纤中有强纠缠特性和抗比特丢失能力，消减了噪声、消相干等因素的影响。

2、本实用新型中采用携带轨道角动量的信号光进行纠缠制备，实现了高维度、可构成无穷维向量空间的特性。

3、本实用新型可实现轨道角动量-线动量-偏振三光子体系纠缠的高维度、可扩容的大容量量子信息处理。

附图说明

图1是本实用新型多自由度混合纠缠W态光子的产生系统的具体结构示意图；

图2是本实用新型多自由度混合纠缠W态光子的产生方法的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明：

参照附图1至附图2所示，一种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，该系统包括第一混合纠缠单元10、第二混合纠缠单元11、偏振纠缠单元12、纠缠交换单元13。第一混合纠缠单元10的输出端、第二混合纠缠单元11的输出端和偏振纠缠单元12的输出端分别与所述纠缠交换单元13连接。

所述第一混合纠缠单元10用于产生轨道角动量-偏振纠缠光子对。所述第二混合纠缠单元11用于产生线动量-偏振纠缠光子对。所述偏振纠缠单元12用于产生互为垂直的偏振纠缠光子对。所述纠缠交换单元13用于将所述轨道角动量-偏振纠缠光子对、线动量-偏振纠缠光子对和偏振纠缠光子对进行耦合与测量实现纠缠交换，用来产生两种等概率互为对称的W态。

其中第一混合纠缠单元10包括第一泵浦源100、BBO晶体101、第一全反射镜102、第二全反射镜103、第一Q-plate相位板1030、第一单模光纤1031和第一λ/4玻片1032。所述第一泵浦源100用于产生泵浦光，为BBO晶体101提供输入脉冲信号，所述BBO晶体101用于Type-I参量下转换可得到具有高维轨道角动量纠缠的光子对。所述泵浦光经所述BBO晶体101后产生第一轨道角动量纠缠光子对，且所述第一轨道角动量纠缠光子对被分为第一光束和第二光束，第一光束经过所述第一全反射镜102后直接输出，第二光束依次经过所述第二全反射镜103、第一Q-plate相位板1030、第一单膜光纤1031和第一λ/4玻片1032后，所述第一轨道角动量纠缠光子对转化为轨道角动量-偏振纠缠光子对。第一Q-plate相位板1030使Type-I产生的两束闲频光分别实现轨道角动量与自旋角动量之间的纠缠关联。所述第一单模光纤1031选择经过第一Q-plate相位板1030变换后的闲频光，筛选闲频光模式为零的高斯光通过。所述第一λ/4玻片1032将自旋偏振态光子转换成水平竖直偏振态光子。

其中第二混合纠缠单元11包括线动量转换单元1110、第三全反射镜110、第四全反射镜111、第五全反射镜112、第二Q-plate相位板1120、第二单模光纤1121和第二λ/4玻片1122。照射至所述BBO晶体101上的泵浦光部分透射过BBO晶体，透射光束经过所述第三全反射镜110再次反射至所述BBO晶体101，产生第二轨道角动量纠缠光子对。所述线动量转换单元1110即计算机相位全息图，计算机相位全息图利用叉形衍射光栅将携带轨道角动量的螺旋位相光束转换成携带线动量的光束。所述第二轨道角动量纠缠光子对被分为第三光束和第四光束，第三光束首先经过所述第四全反射镜111，第四全反射镜将入射到其上的光束进行反射，用于改变光束的传播方向，改变方向后的光束到达线动量转换单元1110后输出。第四光束依次经过所述第五全反射镜112、第二Q-plate相位板1120、第二单模光纤1121和第二λ/4玻片1122后，所述第二轨道角动量纠缠光子对转化为线动量-偏振纠缠 光子对。第二Q-plate相位板1120使Type-I产生的两束闲频光分别实现轨道角动量与自旋角动量之间的纠缠关联。所述第二单模光纤1121选择经过Q-plate相位板1120变换后的闲频光，筛选闲频光模式为零的高斯光通过。所述第二λ/4玻片1122将自旋偏振态光子转换成水平竖直偏振态光子。

其中偏振纠缠单元12包括第二泵浦源120、PPKTP晶体121、第六全反射镜122和第七全反射镜123。所述第二泵浦源120用于为PPKTP晶体121提供输入脉冲信号。所述第六全反射镜122和第七全反射镜123用于入射光束进行反射，并改变光的传播方向。泵浦源120产生的泵浦光照射PPKTP晶体，所述PPKTP晶体121用于Type-II参量下转换产生互为垂直的偏振纠缠的光子。

其中纠缠交换单元13包括依次设置的第八反射镜130、第一分束器131、第二分束器132和偏振分束器133，所述偏振分束器133的输出端分别连接有第一单光子探测器134和第二单光子探测器135。所述第八全反射镜130用于对第一λ/4玻片1032输出的光束进行反射，并改变光的传播方向，改变方向后的光束直接到达第一分束器131。第二λ/4玻片1122输出的线动量-偏振混合纠缠光子对直接到达第一分束器131。第一分束器131将到达其的轨道角动量-偏振纠缠光子对和线动量-偏振纠缠光子对进行耦合，燃后输出至第二分束器132。从第七全反射镜123反射出的偏振纠缠态光子全部到达第二分束器132，第二分束器132将从第一分束器131出来的光子和偏振纠缠光子对进行耦合，然后输出至偏振分束器133。所述偏振分束器133用于将复合光束偏振分离，即，偏振分束器133将到达其的光子分为水平偏振态光子和竖直偏振态光子，所述水平偏振态光子进入第一单光子探测器134，所述竖直偏振态光子进入第二单光子探测器135。第一单光子探测器134用于测量水平偏振态上的光子数；所述第二单光子探测器135用于测量竖直偏振态上的光子数。

本实用新型产生系统的具体工作原理如下：该系统中，第一泵浦源100照射BBO晶体101反射产生第一轨道角动量纠缠光子对透射光经镀高反膜第三全反射镜反射110后二次照射BBO晶体101产生第二轨道角动量纠缠光子对 第一轨道角动量纠缠光子对在经过第一Q-plate相位板1030后得到轨道角动量-自旋角动量纠缠光子对。第一单模光纤1031是筛选闲频光中的轨道角动量为零的光束通过，从单模光纤1031出来的光子经过第一λ/4玻片1032后轨道角动量-偏振纠缠光子对量子态转化为第二轨道角动量纠缠光子对 在经过第二Q-plate相位板1120和计算机相位全息图1110后得到线动量-自旋角动量纠缠光子对；第二单模光纤是筛选闲频光中的轨道角动量为零的光束通过，再经过第二单模光纤1121的筛选与第二λ/4玻片1122的作用后线动量-偏振纠缠光子对量子态变为

第二泵浦源120照射PPKTP晶体121反射产生偏振纠缠光子对，其量子态为： 从第一混合纠缠单元10和第二混合纠缠单元11发射出的轨道角动量-偏振纠缠光子对量子态为和线动量-偏振纠缠光子对量子态为以及从偏振纠缠单元12发射出的偏振纠缠光子对量子态为： 在纠缠交换单元13进行耦合和测量实现纠缠交换，经过第一分束器131和第二分束器132发射出的光子量子态为

在测量过程中，从第二分束器132射出的多自由度纠缠光子对经过偏振分束器133分束，偏振分束器133将水平偏振态和竖直偏振态进行分离，此时的W态有两种可能性，当第一单光子探测器134探测到两个H水平偏振态光子且第二单光子探测器135探测到一个V竖直偏振态光子时，W态为第一探测器134探测到一个V竖直偏振态光子且第二探测器135探测到两个H水平偏振态光子时，W态为 通过单光子探测器(134、135)的探测结果就可以确定我们所获得的轨道角动量-线动量-偏振自由度的W态。

本实用新型多自由度混合纠缠W态光子的产生主要包括以下步骤：

步骤1：第一泵浦源100照射BBO晶体101后产生第一轨道角动量纠缠光子对，透射光经镀高反膜第三全反射镜反射后二次照射BBO晶体101产生第二轨道角动量纠缠光子对。第一轨道角动量纠缠光子对在经过第一q-plate相位板1030、第一单模光纤1031和第一λ/4玻片1032转化后产生轨道角动量-偏振纠缠光子对第二轨道角动量纠缠光子对在经过计算机相位全息图1110、第二q-plate相位板1120、第二单模光纤1121和第二λ/4玻片1122转化后产生线动量-偏振纠缠光子对 和进入纠缠交换单元13。

步骤2：第二泵浦源120照射PPKTP晶体121后产生偏振纠缠光子对  也进入纠缠交换单元13。

步骤3：进入纠缠交换单元13的和进行耦合与与测量实现纠缠交换得到两种等概率的对称W态。第一分束器131和第二分束器132将三对纠缠光子对进行路径叠加，偏振分束器133分束将闲频光的不同偏振态进行分离，再由第一单光子探测器和第二单光子探测器测量水平和竖直偏振态的光子数，根据测量结果可得两种可能性中确定的轨道角动量-线动量-偏振混合纠缠W态。

本实用新型产生的纠缠W态光子是基于多个自由度的混合纠缠，有利于提高量子通信的安全性，其在自由空间与光纤中有强纠缠特性和抗比特丢失能力，消减了噪声、消相干等因素的影响。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (5)

1.一种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，其特征在于，包括第一混合纠缠单元、第二混合纠缠单元、偏振纠缠单元和纠缠交换单元；第一混合纠缠单元的输出端、第二混合纠缠单元的输出端和偏振纠缠单元的输出端分别与所述纠缠交换单元连接；所述第一混合纠缠单元用于产生轨道角动量-偏振纠缠光子对；所述第二混合纠缠单元用于产生线动量-偏振纠缠光子对；所述偏振纠缠单元用于产生互为垂直的偏振纠缠光子对；所述纠缠交换单元用于将所述轨道角动量-偏振纠缠光子对、线动量-偏振纠缠光子对和互为垂直的偏振纠缠光子对进行纠缠交换，获得多自由度混合纠缠W态光子；

所述第一混合纠缠单元包括第一泵浦源、BBO晶体、第一全反射镜、第二全反射镜、第一Q-plate相位板、第一单模光纤和第一λ/4玻片；所述第一泵浦源用于产生泵浦光；所述泵浦光经所述BBO晶体后产生第一轨道角动量纠缠光子对，且所述第一轨道角动量纠缠光子对被分为第一光束和第二光束，第一光束经过所述第一全反射镜后输出，第二光束依次经过所述第二全反射镜、第一Q-plate相位板、第一单膜光纤和第一λ/4玻片后，第一轨道角动量纠缠光子对转化为轨道角动量-偏振纠缠光子对；

所述第二混合纠缠单元包括线动量转换单元、第三全反射镜、第四全反射镜、第五全反射镜、第二Q-plate相位板、第二单模光纤和第二λ/4玻片；照射至所述BBO晶体上的泵浦光部分透射过BBO晶体，透射光束经过所述第三全反射镜再次反射至所述BBO晶体，产生第二轨道角动量纠缠光子对，且所述第二轨道角动量纠缠光子对被分为第三光束和第四光束，第三光束依次经过所述第四全反射镜和线动量转换单元后输出，第四光束依次经过所述第五全反射镜、第二Q-plate相位板、第二单模光纤和第二λ/4玻片后，第二轨道角动量纠缠光子对转化为线动量-偏振纠缠光子对；

所述偏振纠缠单元包括第二泵浦源、PPKTP晶体、第六全反射镜和第七全反射镜；所述第二泵浦源用于产生泵浦光，所述泵浦光经过所述PPKTP晶体后产生互为垂直的偏振纠缠光子对，且所述偏振纠缠光子对被分为第五光束和第六光束，第五光束经过所述第六全反射镜后输出，第六光束经过所述第七全反射镜后改变方向，进入所述纠缠交换单元；

所述纠缠交换单元包括依次设置的第八全反射镜、第一分束器、第二分束器和偏振分束器，还包括分别连接在所述偏振分束器输出端的第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述第一λ/4玻片输出的轨道角动量-偏振纠缠光子对通过第八全反射镜后到达所述第一分束器，所述第二λ/4玻片输出的线动量-偏振纠缠光子对直接到达第一分束器，第一分束器经到达其的光子进行耦合后输出至所述第二分束器；所述第七全反射镜输出的偏振纠缠光子对直接到达所述第二分束器，第二分束器将到达其的光子进行耦合后输出至所述偏振分束器。

2.根据权利要求1所述的多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，其特征在于，所述第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板均为Pancharatnam-Berry相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。

3.根据权利要求1所述的多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，其特征在于，所述第一全反射镜和第二全反射镜位于所述BBO晶体的同一侧，且在空间上具有夹角。

4.根据权利要求1所述的多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，其特征在于，所述第三全反射镜与所述BBO晶体相对设置；所述第四全反射镜和第五全反射镜位于第三全反射镜和BBO晶体之间，且第四全反射镜和第五全反射镜在空间上具有夹角。

5.根据权利要求1所述的多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，其特征在于，所述第六全反射镜和第七全反射镜位于所述PPKTP晶体的同一侧，且在空间上具有夹角。